专利名称：超声波传播时间测定系统的制作方法
技术领域：
本申请要求在先的日本专利申请2007-224859号(2007年8月30日申请)及日 本专利申请2008-159151号(2008年6月18日申请)的优先权，上述在先申请的全部内容 通过引用记载于本说明书中。本发明涉及到一种测定从超声波发送源到规定位置的超声波的传播时间的方法 及超声波的传播时间测定系统。
背景技术：
作为使用超声波的现有的位置检测方法的一例，专利文献1记载了一种电子笔系 统。该位置检测系统由以下构成电子笔，具有以固定周期发送一定周期、一定波形的超声 波信号和红外线触发信号的功能；以及接收部，接收所发送的二个信号；其中，接收部根据 触发信号的到达时间和超声波的到达时间确定电子笔的位置。专利文献1 美国专利第6118205号说明书
发明内容
以下是本发明人的分析。从超声波发送源发送的超声波信号使用人听不到的可听带域以上的频率，因此至 少需要20kHz以上。作为以充分的声压产生该频带的信号的装置，人们知道电磁振动驱动 小型高刚性的振动板的所谓扬声器，但存在以下问题难于小型化；因是电流驱动，耗电较 大，并且难于安装到电子笔等小型的可动物体上。因此，作为超声波发送源，广泛使用电压 驱动的压电元件。该压电元件是电压驱动型，因此一般情况下耗电较小，但为了确保充分的声压，大 多与音响阻抗小的共振体组合使用。但当利用共振现象时，虽然可通过一定的相位/频率/ 增益发送超声波，但其以外的频率下的发送增益非常低，难于利用各种调制方式。并且，在 单独的压电元件中，机械性的Q较高，残留振动时间较长，无论调制方式如何，难于发送追 踪调制波的超声波。另一方面，为了连续进行传播时间测定，需要根据一定周期的触发信号同步发送 超声波。该周期例如是20ms时，该单一或脉冲信号可作为50Hz的可听音被听到。优选尽 量排除该可听音。本发明的目的在于提供一种排除可动物体上搭载的压电或磁致伸缩元件构成的 超声波发送体中产生的残留振动的影响、在从该超声波发送体送出的超声波信号的各周期 内可正确测定最初到达接收部的直达波的传播时间、不受超声波信号的反射波的影响的可 动物体的位置检测方法及系统。并且本发明进一步的目的在于，通过使用窄带域的超声波 实现低成本的位置检测方法及系统。在本发明的第一观点中，本发明涉及的超声波传播时间测定系统的特征在于具有电磁波发送单元，送出表示发送定时的电磁波信号；在送出上述电磁波信号的同时，根据自相关性强的模拟随机信号调制超声波，从而生成超声波驱动信号的单元；超声波发送单元，由压电或磁致伸缩元件构成，其由该超声波驱动信号驱动，送出频率比该超声波驱动 信号的基本频率高的超声波信号；电磁波接收单元，检测上述电磁波信号；超声波接收单 元，检测送出的上述超声波信号；数据处理单元，将和上述超声波驱动信号相同的波形作为 模型波形，在检测出的超声波信号和该模型波形之间计算出相关值，检测计算出的相关值 的主峰值，根据上述电磁波信号的检测时刻和该主峰值的检测时刻，计算出超声波传播时 间。在本发明的其他观点中，本发明涉及的超声波传播时间测定系统的特征在于具 有电磁波发送单元，送出表示发送定时的电磁波信号；在送出上述电磁波信号的同时，根 据自相关性强的模拟随机信号调制超声波，从而生成超声波驱动信号的单元；超声波发送 单元，由压电或磁致伸缩元件构成，在比该超声波驱动信号的频率高的频率、尤其是1. 5倍 以上的频率上具有共振点，由该超声波驱动信号驱动，送出超声波信号；电磁波接收单元， 检测上述电磁波信号；超声波接收单元，检测送出的上述超声波信号；数据处理单元，将和 上述超声波驱动信号相同的波形作为模型波形，在检测出的超声波信号和该模型波形之间 计算出相关值，检测计算出的相关值的主峰值，根据上述电磁波信号的检测时刻和该主峰 值的检测时刻，计算出超声波传播时间。上述超声波发送单元优选在上述超声波驱动信号的频率的实质性的整数倍的频 率上具有共振点。上述超声波发送单元优选在上述超声波驱动信号的频率的实质性的偶数倍的频 率上具有共振点。上述超声波接收单元优选由压电元件、磁致伸缩元件或微音器的任意一种构成。上述调制的超声波驱动信号优选对该模拟随机信号的每1位分配超声波的M周期 (M ^ 1的整数)。调制除了相位调制外，还包括频率调制、振幅调制。作为优选实施方式，上述超声波发送单元可在该驱动信号的频率的实质性的2N 倍(N是正的整数)的频率上具有共振点。上述超声波驱动信号是由上述模拟随机信号调制(例如相位调制)的信号，该调 制的超声波驱动信号对该模拟随机信号的每1位分配和上述M相等的数的超声波的周期。上述超声波驱动信号优选在信号的开头和至少相位调制点上产生。上述超声波驱动信号优选仅在信号的开头和相位调制点产生。并且，上述超声波发送单元的共振频率下的振动增益优选大于上述超声波驱动信 号的频率下的振动增益。并且，超声波接收单元优选具有超声波驱动信号的频率以上的频带。进一步，上述超声波接收单元可具有到上述超声波驱动信号的2N倍(即偶数倍) 为止的频率的频带。模拟随机信号优选是M序列数据。通过选择M序列数据的位串，有助于减小残留 振动、提高相关性，因此可进行高速高精度的超声波传播时间测定。电磁波信号优选是红外线。并且，超声波发送单元可以安装在可动物体上。可动物体例如可以是电子笔或机 器人。
M序列数据优选是由4次的特性多项式生成的15位所构成的字符，且位串的末尾至少2位以上相同。M序列数据优选是由4次的特性多项式生成的15位所构成的字符，且位串的末尾 是 1111 或 000。进一步，M序列数据优选是由4次的特性多项式生成的15位所构成的字符，且位 串的末尾是1111000的序列。在构成上述超声波发送单元的超声波生成电路中，优选具有用于去除可听区域的 驱动信号的滤波器。通过在构成超声波发送器的驱动电路中加入滤波器，可抑制可听区域 中产生的声波强度，有助于降低对人的压力。在构成上述超声波发送单元的超声波生成电路中，优选至少具有用于去除相当于 该超声波发送周期的频率区域的声波的滤波器。 在构成上述超声波发送单元的超声波生成电路中，优选至少具有用于去除相当于 M序列字符的调制周期的频率区域的声波的滤波器。通过选择M序列位串，能够进一步提高 其效果。优选将从超声波生成电路中具有滤波器的超声波发送单元放出到空间后的声波 作为在进行相关计算的基础上的模型波形。M序列数据优选是由4次的特性多项式生成的15位所构成的字符，且位串的末尾 是1111或000的序列，可实现静音。M序列数据优选是由4次的特性多项式生成的15位所构成的字符，且位串的末尾 是1111000的序列，可实现静音。如上所述，对M序列调制模型波的频率，在较高的频率区域、例如1. 5倍以上或其 2N倍的频率区域中，选择收发增益高的压电变换元件，从而可以良好的调制特性使超声波 发送波窄带域化，结果可实现小型、节电、低成本、且高速高精度的超声波传播时间测定。并 且，发送超声波的频率大于驱动频率，因此调制波的重现性较高，可提高接收波和模型波的 相关性。
图1是本发明涉及的超声波传播时间测定系统的一个实施例的框图。图2是以M序列数据进行相位调制的超声波驱动信号的波形图的一例。图3是M序列相位调制超声波驱动信号的波形图、及从具有该驱动信号的频率的 2倍的共振频率的压电元件发送的超声波信号的波形图的一例。图4是表示在励振点和共振点上压电元件具有的振动增益的图的一例。图5是表示相同的位在末尾连续的M序列数据所调制的超声波接收信号的一例的 图。图6是表示以M序列数据调制的超声波发送波形和参照波形的相关值时刻历史的 波形的一例的图。图7是表示以M序列数据调制的超声波发送波形和参照波形的相关值时刻历史的 波形的其他例子的图。图8是M序列相位调制超声波驱动信号的波形图、和从具有驱动信号的频率的3倍的共振频率的压电元件传送的超声波信号的波形图。图9是M序列相位调制超声波驱动信号的波形图、和从具有驱动信号的频率的1. 5倍的共振频率的压电元件传送的超声波信号的波形图。图10是在M序列相位调制超声波驱动信号中，仅通过相位调制点驱动发送器一侧 的压电元件时的超声波发送波形图。图11是表示由M序列位串调制的超声波频率特性的图。图12是表示对图11插入高通滤波器时的发送波的频率特性的图。图13是对图11中依存于M序列的分频频率区域插入陷波滤波器时的发送波的频 率特性的图。图14是表示使参照波形是未被滤波的发送波时的相关值的图。图15是表示使参照波形是已被滤波的发送波时的相关值的图。图16是表示通过选择M序列位串使超声波发送强度变化的一例的图。图17是表示通过选择M序列位串使超声波发送强度变化的其他例的图。图18是表示组装到电子笔侧的超声波驱动电路的滤波电路的构成的图。标号说明1电子笔2发送部3接收部11 开关101控制电路102M序列生成电路103超声波驱动电路104超声波发送器(压电元件或磁致伸缩元件)105红外线驱动电路106红外线发送器201超声波接收器(压电元件、磁致伸缩元件或微音器)202采样电路203红外线接收器204检测电路205 内存206数据处理电路
具体实施例方式接着对实施本发明的最佳方式以电子笔系统为例参照图1至7详细说明。此外， 本发明也可以是，在机器人系统中，将超声波发送部设置在障碍物上，将接收部设置在机器 人上，从而计算出到障碍物为止的距离，从而进行回避动作的控制；在医疗看护系统中，将 超声波发送体安装到患者身上，可确定其所在场所。并且，对于超声波的调制方式，表示了通过模拟随机信号、使用自相关性强的M序 列信号进行相位调制的情况，但其他调制方式也具有同样的效果。进一步，作为调制基础的信号序列只要是模拟随机信号、自相关性强的信号序列即可，所谓Gold序列信号也具有同 样的效果。图1是本发明涉及的超声波传播时间测定系统的一个实施例，表示利用了本发明 的超声波位置测定系统的电子笔系统的框图。该系统由以下构成发送部2，安装在具有开 关11的电子笔1上；以及接收部3，设置在离开该发送部的规定位置上。发送部2由以下 构成控制电路101、M序列生成电路(或M序列位串存储内存)102、超声波驱动电路103、 超声波发送器(压电元件或磁致伸缩元件)104、红外线驱动电路105、红外线发送器106。M序列生成电路102根据由控制电路101提供的M序列初始条件，生成由特性多项 式决定的M序列。M序列生成电路102例如具有4次特性多项式f(x) =x4+x+l、或f(x)= x4+x3+l的性质的4位移位寄存器，生成序列长为15位的位串。通过变更4位的初始条件， 可获得数据序列巡回性移位的15个不同的数据。图2表示通过M序列进行相位调制的超 声波驱动信号的波形的一例。使15位的M序列数据“000100110101111”的各1位与基波 的1周期对应。0时是反转相位、1时是正相位，因此调制波变为基波的15个周期的长度。 此外，M序列具体记载于柏木濶著的“M序列及其应用(M系列i O応用)”(1996年3月 25日，昭晃堂)等中。控制电路101在电子笔1具有的开关11被下压时，首先将作为时间测定基准的触 发信号和M序列的4位初始条件数据提供到红外线驱动电路105和M序列生成电路102。 红外线驱动电路105根据来自控制电路101的信号生成红外线驱动用信号。红外线发送器 106被该红外线驱动电路105的输出驱动，将红外线从电子笔1送出到空间。另一方面，M序列生成电路102根据控制电路101提供的初始条件，生成M序列位 串，将其提供给超声波驱动电路103。超声波驱动电路103通过该M序列对超声波信号进行 相位调制，作为超声波驱动信号提供到超声波发送器104。超声波发送器104通过该驱动信 号被驱动，与红外线发送器106的发送定时同步，将已被M序列相位调制的超声波信号送出 到空间。因此，红外线信号和超声波信号从电子笔同时发射向接收部。为了实际上起到电 子笔的作用，在开关被下压期间，以一定周期重复上述动作。控制电路101由CPU等构成，因此各信号波形大多使用矩形波。对于作为时间测 定基准的红外线触发信号，为了降低对接收器侧的采样的时间偏差，使测定误差最小，优选 最好是矩形波，而对于超声波信号，超声波发送器104大多由压电元件(或磁致伸缩元件) 构成，压电元件本身含有L、C成分，因此送出到空间的超声波在驱动波形为矩形波时，也是 模拟的正弦波。此外，对于发送侧的波形，考虑到上述发送器的特性，正弦波、矩形波、三角 波、梯形波均没有问题。接收部3由以下构成超声波接收器(压电元件、磁致伸缩元件或微音器)201、采 样电路202、红外线接收器203、检测电路204、内存205、数据处理电路206。超声波接收器(压电元件、磁致伸缩元件或微音器)201接收从电子笔1发送的超 声波信号，将其转换为电信号。采样电路202以一定间隔对该超声波信号进行采样，作为相 位调制M序列超声波数据存储到内存205。红外线接收器203接收来自电子笔1的红外线信号，将其转换为电信号。检测电 路204从红外线接收器203的输出中检测出触发脉冲时，将触发脉冲的到达时刻存储到内 存205。并且，检测电路204检测到M序列初始条件数据时，将其存储到内存205。
也可替代M序列初始条件包含于红外线信号中，而采用以下方法将根据规定的M 序列的初始条件提前生成的相位调制M序列超声波模型波形存储到内存205，当红外线触 发信号到达时，数据处理电路206读出该M序列模型波形。数据处理电路206从内存205读出表示触发脉冲到达的数据时，由存储的M序列 初始数据生成M序列模型波形，并使该模型波形和发送部2 —样通过超声波进行相位调制， 生成和发送侧的超声波驱动信号相同波形的相位调制超声波M序列模型波形。数据处理电 路206在该相位调制超声波模型波形和内存205中存储的相位调制超声波接收波形之间， 进行相关处理。数据处理电路206检测到相关值的最初的峰值(主峰)时，计算出触发脉 冲到达时刻到检测出该相关值峰值的时刻为止的经过时间，即来自电子笔1的到接收部3 的超声波信号的传播时间。
具体而言，将内存205中存储的触发检测时刻设定为采样开始时间(t)，从内存 205读出相位调制M序列超声波数据，在该读出的数据和在先生成的相位调制M序列超声波 模型波形之间，根据数式(1)计算采样开始时间(t)下的相关值C(t)。(数式1)<formula>formula see original document page 9</formula>
在数式(1)中，i是整数值，表示采样时间变量，N是模型波形的采样数，r(i)是采 样时刻i的模型波形的值，f(i+t)是采样时刻(i+t)的接收波形的值。接着根据获得的相关值探索峰值。如未检测出峰值，则使采样开始时间(t)仅增 加单位量1，同样重复峰值探索。当检测出相关峰值时，从内存205读出和该相关峰值的检 测时刻下的变量t对应的采样时刻。最后数据处理电路206根据触发检测时刻和峰值检测 时刻，计算出电子笔1到接收部3的超声波的传播时间。设接收到红外线触发脉冲的采样 时间为0、采样周期为DT时，超声波传播时间可算出为tXDT。该超声波的信号传播系统下的频率区域是20kHz至100kHz，作为接收发送装置， 可考虑频带较宽的采用了振动板的振动/静电容量检测的扬声器/微音器，但作为发送装 置使用时，这些装置价格高，而小型节电的装置灵敏度非常低。另一方面，价格低的压电元 件仅可在振动增益强的共振频率附近使用。因此，低价格的压电元件很难说具有为了用M 序列信号调制超声波所需的充分的频带。作为使M序列信号的频带窄域化的方法，包括使 同一相位波多个连续的方法。设压电元件的共振频率为40kHz，向M序列的各1位分配超声波的M(M彡1的整 数)周期进行相位调制时，必要的频带以40kHz为中心，单侧变为40/M(kHz)、即两侧为 (40/M) X 2 (kHz)。该频带在M = 3 4、Q值低的压电元件中，是可充分覆盖的区域。但当提高M值时，信号传送所需时间增加，不适合要求高速性的应用，而在低速 的、充分的应用中，提高M值是有效的方法。并且，进行相关峰值探索计算时，原则上，具有 主峰的增益的(M-l)/M倍的值的(M-I)个相关次要峰值产生在主峰的两侧，因此当反射波 和直达波的时间差较小时，因该次要峰值的重叠，难于确定主峰的位置，因此优选使M值尽 可能小。并且，当M = 1时，可发现相位调制超声波接收波和M序列模型波的相关值不会大幅下降，对于位的位置误差实验性地研究敏感频带，其结果是，已被相位调制的发送超声波 信号在相位调制(相位切换)点附近对超声波驱动波形有充分的追踪性。并且，在高频区 域中，增益强的压电元件的相关峰值的S/N比较高，因此具有良好的相关值检测特性。图3表示以位串“10110”对频率20kHz的超声波进行相位调制的驱动波形(虚 线)、及从共振频率40kHz的压电元件104向空间送出40kHz的相位调制超声波波形(实 线)时的两个波形。可知与驱动波形的相位切换点SI、S2、S3同步地，发送波形的相位改 变，从而使发送波形对驱动波形的追踪性良好。进一步可知，在驱动波形同相、连续变化的点A1下，两个波形彼此基本变为同相， 压电元件的超声波增益放大，而在两个波形基本反相的点D1下，压电元件的超声波增益衰 减，结果超声波的发送输出电平变得平均。这意味着，压电元件的共振频率下的残留振动通 过由该共振频率的1/2频率驱动的振动而衰减。因此，为了维持相位(切换)调制点下的 超声波发送波形对超声波驱动电压波形的追踪性能的同时，抑制发送超声波中含有的残留 振动，对于压电元件的驱动频率，使压电元件的共振频率设定为2N倍1)即可。用于进行相关峰值探索的接收侧的M序列模型波形优选在相位调制(切换)点的 追踪性，因此接收部3将和发送侧驱动压电元件104的M序列相位调制超声波驱动波形完 全相同的波形作为M序列模型波形使用，与接收的超声波波形之间，计算相关值。其中如图4所示，为了使送出到空间的超声波的频率不是励振频率、而与压电元 件的共振频率相同，在励振状态下的声波的频率特性下，使压电元件104的共振频率中的 振幅增益大于励振频率下的振幅增益即可。实际上，通过增减励振电压进行调整，或通过共 振频率衰减压电元件来实现。并且，超声波接收器201优选具有到超声波驱动信号的频率的2N倍为止的频带。如上所述，当压电元件的共振频率是驱动频率的2N倍时，可获得最好的性能，当 是N倍(即整数倍)时，增益变动变大，但相位调制部分如图8(图8中表示3倍的共振频 率的情况)那样明显出现，因此可进行超声波传播时间测定。并且，如非整数倍、至少是高频时，原理上可进行超声波传播时间测定。图9是压 电元件的共振频率是驱动频率的1. 5倍的频率时的例子，增益变动较大，相位调制点及非 调制点的差不明确，稳定性、精度有下降的倾向，但相位调制点及非调制点的差明确存在， 通过强调它们的差，可进行超声波传播时间测定。并且，如图10所示，至少仅通过相位调制点驱动发送器侧的压电元件时，相关值 下降，但残留振动的影响也被抑制，进一步可基本使驱动信号波数减半，因此可减少整体的 耗电。并且，在之前记载的M序列数据串中，同位连续时，如图5所示，发送的声波的频率 从压电元件104的共振频率靠近压电元件驱动频率，县其能量增益变小。相反，在数据串不 同的位的相位调制点中，相位调制部分具有高频成分，因此激励比压电元件驱动频率高的 声波的比例较高，通过高频侧存在的压电元件的共振点发送声波，发送的声波的频率接近 压电元件104的共振频率，且其能量增益变大。因此，为了抑制残留振动，优选M序列数据 串的末尾有同位连续，当是位不同的末尾时，残留振动变大，不优选。进一步，随着末尾同位连续的个数增多，残留振动变小，实际的接收波形和参照波 形的相关性提高。在由4次特性多项式生成的数据串中，2位连续的部分存在6 7处，3位连续的部分是“000” 一处，4位连续时存在“1111” 一处，和末尾“00”、“11”相比，“000”、 尤其是“1111”更有效果。接着将式(1)所示的相关值的时刻历史数据串的例子称为相关波形，如图6及图 7所示。图6以“100110101111000”的位串调制，图7以“100010011010111”的位串调制。 对15位的M序列信号的一般的相关波形除主峰以外，侧峰在其前后产生，根据位串的取得 方法不同，产生图6和图7的差异。这是理想情况，在实际的接收波形中，当周围的杂音、反 射波等重叠时，会产生其增益靠近主峰增益的情况，根据进行峰值检测的算法，成为导致错 误检测的原因的可能性较高。实际对15种位串求出相关波形的结果是，在位串的前一半、 后一半中，相位调制点数的差越大，侧峰增益越小。因此，由特性多项式f (x) = x4+x+l生成的位串中“ 1111000”的数据串作为M 序列15位的开头的“111100010011010”或作为末尾的“100110101111000”时，及由特 性多项式f(x) = x4+x3+l生成的位串中“0001111”的数据串作为M序列15位的开头的 “000111101011001”或作为末尾的“010110010001111”时，和其他13种数据串相比，在相关 波形中，侧峰的增益变低，因此可提高接收波到达时刻的精度。进而如上所述，在M序列数据串的末尾同位连续时，抑制了残留振动，因此作为本 发明中的M序列位串，“100110101111000”或“010110010001111”的残留振动较小，相关波 形的侧峰也变小，因此可高速高精度地测定超声波传播时间。最后，对以电子笔系统为例的本发明的实施例参照图11至图18进行详细说明。图18表示组装到电子笔的压电元件驱动电路中的滤波电路。图18(a)是剪切低 通的笔尖的滤波电路的一例，图18(b)是仅剪切特定频带的笔尖的滤波电路的一例。滤波 电路组装到用于驱动压电元件的升压电路前时，加入了升压器(大多使用变压器等线圈) 的特性，因此优选组装到升压后的电路中。并且，由于是高压部，因此优选注意配件的耐压 性，尽可能由受动配件构成。图11表示从没有滤波器的电子笔放射出的超声波的频率特性。由M序列位串调 制的超声波驱动信号实质上具有图11(a)所示的接近矩形波的特性。因此，“10”、“01”的 位图案部分和驱动信号频率相等，而“1100”、“0011”部分和以1/2频率驱动的相等。同样， 1/3,1/4的频率成分包含在驱动频率中。因此，放出到空间的超声波信号也因驱动频率的 1/2、1/3、1/4的频率成分的声压较高，所以当这些频率处于可听区域时，人可以听到。由M序列调制的超声波最低也存在15波，对至今能够较好利用的1 3波的脉冲 波，波数较多，声波的能量也变大，因此在电子笔的应用中，有时会对人造成损伤。并且，超 声波发送周期大多是10 20ms，在该周期产生的超声波宏观上来看变为50 100Hz的声 音。人听到该声音也较刺耳，因此会成为对人造成压力的要因。因此，首先如图12所示，当插入了使驱动频率以上的声波通过、抑制其以下的声 波的滤波器时，驱动周期及超声波驱动频率的分频频率均衰减，大幅抑制了人听到的声压。 但该超声波发送信号不具有低通的频率成分，因此相位调制部分的增益变小，相关值有下 降的倾向。因此如图13所示，仅对有问题的频率区域进行滤波时，丢失的频率成分变小，可 使整体的系统性能下降为最小限度，实现静音化。但因造成成本上升，所以选择最有效的频
率很重要。
图14、15是表示为了填补丢失的频率成分，使进行相关计算的参照波形作为滤波 后的超声波发送波形时的效果的一例。图14表示参照波形中没有滤波器的情况，图15表 示参照波形中有滤波器的情况。比较图14、15可知，通过使参照波形为滤波后的发送波形， 相关值的最大峰值和之前的峰值的增益的差从0. 1扩大到0. 4，结果相关计算下的峰值探 索的精度提高的可能性增加。图16、17是表示通过M序列位串使超声波发送信号的声压改变的例子。均以时间 序列表示使用了图中所示的M序列位图案时的电压变化。由图16、17可知，M序列位串的 末尾同位越连续，声压峰值越小，进而最后的位串为“1111000”时(图16(a))，声压峰值越 小。因此，通过选择M序列位串也可实现静音化。此外，上述专利文献的公开内容通过引用加入到本说明书中。以上参照上述实施 方式说明了本发明，但本发明不仅限于上述实施方式的构成，当然包括在本发明的范围内 由本领域人员可获得的各种变形、修改。
权利要求
一种超声波传播时间测定系统，其特征在于，具有电磁波发送单元，送出表示发送定时的电磁波信号；在送出上述电磁波信号的同时，根据自相关性强的模拟随机信号调制超声波，从而生成超声波驱动信号的单元；超声波发送单元，由压电或磁致伸缩元件构成，其由该超声波驱动信号驱动，送出频率比该超声波驱动信号的基本频率高的超声波信号；电磁波接收单元，检测上述电磁波信号；超声波接收单元，检测送出的上述超声波信号；和数据处理单元，将和上述超声波驱动信号相同的波形作为模型波形，在检测出的超声波信号和该模型波形之间计算出相关值，检测计算出的相关值的主峰值，根据上述电磁波信号的检测时刻和该主峰值的检测时刻，计算出超声波传播时间。
2.根据权利要求1所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，上述超声波发送单 元在比上述超声波驱动信号的频率高的频率上具有共振点。
3.根据权利要求2所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，上述超声波发送单 元在上述超声波驱动信号的频率的实质性的整数倍的频率上具有共振点。
4.根据权利要求3所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，上述超声波发送单 元在上述超声波驱动信号的频率的实质性的偶数倍的频率上具有共振点。
5.根据权利要求1至4的任意一项所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，上述 超声波接收单元由压电元件、磁致伸缩元件或微音器的任意一种构成。
6.根据权利要求1至5的任意一项所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，上 述已调制的超声波驱动信号对该模拟随机信号的每1位分配超声波的M周期(M ^ 1的整 数)。
7.根据权利要求1至5的任意一项所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，上述 超声波驱动信号生成单元对上述超声波进行相位调制。
8.根据权利要求1至7的任意一项所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，上述 超声波驱动信号在信号的开头和至少相位调制点上产生。
9.根据权利要求1至7的任意一项所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，上述 超声波驱动信号仅在信号的开头和相位调制点产生。
10.根据权利要求1至9的任意一项所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，上 述模拟随机信号是M序列数据。
11.根据权利要求1至10的任意一项所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，上 述超声波发送单元的共振频率下的振动增益大于上述超声波驱动信号的频率下的振动增frff. o
12.根据权利要求1至10的任意一项所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，上 述电磁波信号是红外线。
13.根据权利要求1至11的任意一项所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，上 述超声波接收单元具有上述超声波驱动信号的频率以上的频带。
14.根据权利要求13所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，上述超声波接收 单元具有到上述超声波驱动信号的频率的偶数倍为止的频带。
15.根据权利要求1至14的任意一项所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，上 述超声波发送单元安装在可动物体上。
16.根据权利要求15所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，上述可动物体是 电子笔。
17.根据权利要求15所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，上述可动物体是 机器人。
18.根据权利要求10所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，在上述M序列数据 中，M序列数据是由4次的特性多项式生成的15位所构成的字符，且位串的末尾至少2位 以上相同。
19.根据权利要求18所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，在上述M序列数据 中，M序列数据是由4次的特性多项式生成的15位所构成的字符，且位串的末尾是1111或 000。
20.根据权利要求19所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，在上述M序列数据 中，M序列数据是由4次的特性多项式生成的15位所构成的字符，且位串的末尾是1111000 的序列。
21.根据权利要求1至20的任意一项所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，在 构成上述超声波发送单元的超声波生成电路中，具有用于去除可听区域的驱动信号的滤波器o
22.根据权利要求1至21的任意一项所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，在 构成上述超声波发送单元的超声波生成电路中，至少具有用于去除相当于该超声波发送周 期的频率区域的声波的滤波器。
23.根据权利要求1至22的任意一项所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，在 构成上述超声波发送单元的超声波生成电路中，至少具有用于去除相当于M序列字符的调 制周期的频率区域的声波的滤波器。
24.根据权利要求1至23的任意一项所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于，将 从超声波生成电路中具有滤波器的超声波发送单元放出到空间后的声波作为在进行相关 计算的基础上的模型波形。
25.根据权利要求21至24的任意一项所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于， 在使用的M序列数据中，M序列数据是由4次的特性多项式生成的15位所构成的字符，且 位串的末尾是1111或000的序列。
26.根据权利要求21至25的任意一项所述的超声波传播时间测定系统，其特征在于， 在使用的M序列数据中，M序列数据是由4次的特性多项式生成的15位所构成的字符，且 位串的末尾是1111000的序列。
全文摘要
提供排除压电或磁致伸缩元件的残留振动的影响、提高接收超声波波形和模型波形的相关性、不受超声波信号的反射波影响的位置检测方法及系统，该超声波传播时间测定系统的发送部(2)生成含有表示发送定时的触发信号的电磁波信号及在该电磁波信号送出同时基于自相关性强的模拟随机信号调制超声波而生成的超声波驱动信号，由超声波发送器(104)送出频率比该超声波驱动信号的频率高的超声波信号；接收部(3)具有数据处理电路(206)，检测电磁波信号和超声波信号，将超声波驱动信号作为模型波形，在检测的超声波信号和模型波形之间计算相关值，检测计算出的相关值的主峰值，根据电磁波信号的检测时刻和该主峰值的检测时刻，计算出超声波传播时间。
文档编号G01S5/30GK101828129SQ20088010505
公开日2010年9月8日 申请日期2008年8月28日 优先权日2007年8月30日
发明者宫本润一, 梶谷浩司 申请人:日本电气株式会社